Intervista a Takaaki Kajita e Arthur McDonald, vincitori del Premio Nobel per la Fisica 2015 “per la scoperta delle oscillazioni dei neutrini, che dimostra che i neutrini hanno massa”. Kajita, alla guida dell’analisi dati del rivelatore per neutrini atmosferici Super-Kamiokande in Giappone, nel 1998 aveva presentato la scoperta che i neutrini provenienti dall’atmosfera cambiano identità durante il loro viaggio verso il rivelatore. Mentre McDonald, responsabile del fratello ad acqua pesante del rivelatore giapponese, il Sudbury Neutrino Observatory, in Canada, nel 2000 aveva dimostrato che i neutrini provenienti dal Sole non scompaiono durante il loro viaggio verso la Terra, ma vi arrivano con un’identità diversa. In altre parole, entrambi gli esperimenti avevano provato che i neutrini cambiano identità, o meglio cambiano sapore – una metamorfosi chiamata oscillazione possibile solo se i neutrini possiedono massa –, e avevano così aperto una nuova domanda per il Modello Standard, che invece li voleva privi di massa.
Professor McDonald, lei è stato uno dei sedici membri che hanno avviato la collaborazione SNO (Sudbury Neutrino Observatory): che cosa l’ha spinta a credere nel progetto?
[AM] Quando abbiamo avviato il progetto, nella fisica c’era un grande enigma, il cosiddetto deficit dei neutrini solari: erano stati rivelati sulla Terra i neutrini elettronici prodotti dalle reazioni nucleari che avvengono nel Sole, ma erano in numero troppo basso rispetto a quanto previsto da teorie molto sofisticate. Per risolvere questo enigma, dovevamo riuscire a verificare quale fosse il numero totale di neutrini prodotti nel Sole che arrivano sulla Terra. E per farlo, abbiamo utilizzato come bersaglio, nel nostro esperimento, l’acqua pesante – molecole d’acqua in cui l’idrogeno presenta un neutrone in più rispetto all’ordinario –, e abbiamo osservato che il numero totale di neutrini solari che raggiungono la Terra – dato dalla somma dei tre tipi di neutrini, elettronici, muonici e del tau – corrisponde esattamente a quello previsto dai calcoli teorici. Tuttavia, emerse anche che i neutrini elettronici costituivano solo circa un terzo del totale, segno che erano mutati in uno degli altri tipi. Abbiamo scoperto in questo modo il fenomeno dell’oscillazione dei neutrini, il processo attraverso il quale i neutrini, durante il loro percorso dal centro del Sole alla Terra, si trasformano da un tipo a un altro o, detto in gergo, “cambiano sapore”: da elettronico, a muonico e del tau. Allo stesso tempo, abbiamo così dimostrato che i modelli su come il Sole brucia sono corretti, e confermato quindi che i calcoli usati per la fusione nucleare sulla Terra sono accurati. Il rivelatore che ci ha permesso di realizzare questa scoperta era grande quanto un edificio di dieci piani, e ci consentiva di osservare un solo neutrino all’ora proveniente dal Sole. Lo abbiamo costruito a due chilometri di profondità in una miniera di nichel attiva per ridurre i raggi cosmici di un fattore di un milione o più, e abbiamo realizzato l’intero laboratorio in modo che fosse ultra-pulito. Alla fine, siamo riusciti a eliminare tutte le interferenze dovute alla radioattività naturale e a osservare così i neutrini, usando appunto, l’acqua pesante come bersaglio.
Professor Kajita, da dove nasce il suo interesse per i neutrini, e in particolare per i neutrini atmosferici?
[TK] Ero membro dell’esperimento Kamiokande, in Giappone, che cercava il decadimento del protone. E il rumore di fondo nella ricerca del decadimento del protone è costituito dai neutrini prodotti dalle interazioni dei raggi cosmici con l’atmosfera, i cosiddetti neutrini atmosferici. Era quindi essenziale studiarli: la mia motivazione iniziale è sorta così, da un’esigenza. Poi Kamiokande, e anche l’esperimento Irvine-Michigan-Brookhaven negli Stati Uniti hanno fornito indizi molto promettenti di qualcosa di nuovo, e abbiamo costruito Super-Kamiokande, il successore di Kamiokande. Fin dall’inizio, sapevamo che avremmo potuto trovare qualcosa di estremamente interessante studiando i neutrini atmosferici, e ci siamo davvero concentrati sulla loro analisi. Lavoravamo in due gruppi: uno in loco, essenzialmente giapponese, e uno a distanza, essenzialmente statunitense. Ma presto, da un confronto delle due analisi distinte, ci siamo resi conto che avremmo lavorato più efficacemente come un gruppo solo, e a quel punto, unendo le forze, ci siamo impegnati a fondo per comprendere ogni dettaglio, e siamo riusciti a ottenere un risultato significativo dopo soli due anni dall’inizio dell’esperimento.
Professor McDonald, dopo il conferimento del Premio Nobel ha rilasciato un’intervista in cui ha parlato delle grandi questioni rimaste irrisolte, dal valore della massa del neutrino alla materia oscura. Che cosa ha in comune quest’ultima con i neutrini? E come è arrivato lei a occuparsi di materia oscura?
[AM] Quando abbiamo iniziato le nostre misure, si pensava che i neutrini potessero essere all’origine della cosiddetta materia oscura. Se guardiamo il cielo stellato, dagli effetti gravitazionali si deduce che, nella nostra galassia, la massa di tutto ciò che si trova tra le stelle è circa cinque volte superiore a quella delle stelle stesse. Ma questa materia oscura non sembra avere proprietà simili a quelle delle particelle che conosciamo. È un grande enigma per la fisica fondamentale, e anche per la cosmologia, perché sembra avere un ruolo significativo nella formazione di galassie, stelle e pianeti; dunque, è un obiettivo importante cercare di osservarla. Nel frattempo, abbiamo scoperto e dimostrato che i neutrini hanno massa, che sulla base di altre misurazioni sembra essere molto piccola, almeno un milione di volte inferiore a quella dell’elettrone. E la domanda ancora aperta è proprio quanto piccola, ma è sicuramente troppo piccola per spiegare la materia oscura, che deve essere qualcos’altro. Grazie allo sviluppo di laboratori sotterranei con bassissima radioattività, come SNOLAB in Canada e i Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN in Italia, dove sono coinvolto nell’esperimento DarkSide-20k, oggi ne riveliamo i segnali di interazione con grandi quantità di materia ordinaria. In DarkSide-20k, per esempio, abbiamo predisposto oltre 20 tonnellate di argon liquido per registrare i lampi di luce che le interazioni occasionali della materia oscura con gli atomi di argon produrrebbero. Non siamo ancora riusciti a osservare queste interazioni, ma i dati raccolti finora, principalmente grazie agli esperimenti con lo xenon liquido, ci hanno permesso di spingere i limiti delle misure di un fattore 100.000 rispetto agli esperimenti iniziali. Continueremo in questa direzione, perché anche se non abbiamo ancora capito che cosa sia, sappiamo che è importante.
Professor Kajita, dopo il Nobel è rimasto nell’infrastruttura sotterranea di Kamioka, passando dai neutrini alle onde gravitazionali con KAGRA. Che cosa rende così cruciale le infrastrutture sotterranee per le misure di frontiera? E quali interrogativi irrisolti l’hanno portata a spostarsi dallo studio dei neutrini a quello delle onde gravitazionali?
[TK] Quando si studiano i neutrini, i muoni dei raggi cosmici costituiscono un ingombrante rumore di fondo, che possiamo ridurre scendendo sottoterra. E anche nel caso delle onde gravitazionali, ogni genere di attività sismica costituisce un problema per la loro misura, ma lo si può attenuare notevolmente costruendo un interferometro in profondità nel sottosuolo. Nell’infrastruttura sotterranea di Kamioka, in Giappone, c’erano già Kamiokande e Super-Kamiokande, e abbiamo pensato che fosse più facile costruire un nuovo esperimento nello stesso posto: KAGRA, un interferometro per la rivelazione delle onde gravitazionali. Ho iniziato a dedicarmi al progetto tra il 2008 e il 2010. All’epoca le onde gravitazionali non erano ancora state rivelate, ma c’erano grandi aspettative che lo sarebbero state presto e che sarebbe nata la nuova astronomia delle onde gravitazionali. Io ho pensato che sarebbe stato un campo davvero nuovo ed entusiasmante, e così ho deciso di spostare i miei obiettivi di ricerca. Poi, nel settembre 2015, le onde gravitazionali sono state rivelate dalle collaborazioni dei due rivelatori LIGO negli Stati Uniti e del rivelatore Virgo in Italia, grazie ai due strumenti gemelli LIGO. Dal 2015 le collaborazioni LIGO e Virgo hanno continuato a osservare decine e decine di eventi, e dal 2020 anche KAGRA si è unito al network globale di rivelatori gravitazionali, e sta cercando di raggiungere la sensibilità adeguata per contribuire all’astronomia delle onde gravitazionali.
Professor McDonald, i Laboratori del Gran Sasso sono spesso descritti come un’eccellenza mondiale per la fisica sotterranea: qual è la sua esperienza e quali scoperte o conferme sperimentali si aspetta possano arrivare da lì nel prossimo futuro?
[AM] Innanzitutto ci tengo a ricordare Antonino Zichichi, il vero ideatore dei Laboratori del Gran Sasso, che è venuto a mancare proprio questo mese. È stato un pioniere straordinario e un grande scienziato, e la sua scomparsa rappresenta una perdita significativa per il nostro settore. Aveva concepito i Laboratori in modo strategico, integrandoli nel progetto del tunnel autostradale del Gran Sasso: un’intuizione che li ha resi facilmente accessibili e, allo stesso tempo, schermati dalla montagna sovrastante, grazie alla quale si riescono a sopprimere in modo sostanziale i raggi cosmici. Sono nati come Laboratori di prim’ordine per le misurazioni di bassa radioattività, e nel tempo si sono affermati come punto focale per importanti esperimenti a livello internazionale, con collaborazioni come quella di DarkSide-20k che conta 450 scienziate e scienziati da 14 paesi. Sarebbe straordinario se nei prossimi dieci anni si riuscissero a osservare le particelle di materia oscura interagire con la materia ordinaria. Questo ci aiuterebbe molto a capire di che cosa si tratta e come si inserisce nel nostro quadro teorico della fisica delle particelle. E altrettanto importante sarebbe raggiungere l’altro obiettivo che si sta perseguendo ai Laboratori del Gran Sasso, ma anche a SNOLAB in Canada, ovvero l’osservazione di un decadimento complesso, chiamato doppio decadimento beta senza neutrini. Lo studio di questo fenomeno permetterebbe di determinare proprietà fondamentali dei neutrini e, insieme ad altre importanti misurazioni effettuate con gli acceleratori di energia più potenti al mondo, potrebbe aiutarci a comprendere le differenze tra materia e antimateria. Riteniamo che nel big bang siano state prodotte quantità uguali di materia e antimateria, ma non sappiamo perché l’universo attuale è fatto di materia e non sia stata osservata antimateria primordiale. I meccanismi teorici che potrebbero spiegare questa asimmetria sono stati elaborati, e ora stiamo cercando di verificarli sperimentalmente, anche attraverso esperimenti di oscillazione dei neutrini su lunga distanza. Nei prossimi dieci o quindici anni, con il procedere di questi esperimenti, potremmo ottenere risposte a domande fondamentali, che io considero esistenziali: la teoria che abbiamo su ciò che è accaduto durante e dopo il big bang è corretta? Comprendiamo da dove veniamo? È proprio la ricerca di risposte a queste domande che muove gli scienziati e le scienziate attivi in questo campo, la fisica delle astroparticelle.
Professor Kajita, da quali esperimenti nel campo dei neutrini, delle onde gravitazionali, e dell’astronomia multimessaggera in generale, possiamo aspettarci i risultati più promettenti nei prossimi anni?
[TK] Penso che sia i neutrini sia le onde gravitazionali saranno estremamente importanti per l’astronomia multimessaggera. È difficile fare delle previsioni sui singoli esperimenti sui neutrini, perché ciascuno ha il suo obiettivo scientifico specifico. Hyper-Kamiokande, per esempio, successore di Super-Kamiokande, intende osservare la violazione della simmetria CP nei neutrini (ovvero l’asimmetria tra neutrini e antineutrini), e qualora riuscisse nell’impresa ci aiuterebbe a comprendere l’origine dell’asimmetria tra materia e antimateria nell’universo. Ma questo è soltanto uno degli aspetti dei neutrini che si possono indagare. Mentre se guardiamo agli esperimenti per le onde gravitazionali di nuova generazione, credo proprio che l’Einstein Telescope e il Cosmic Explorer saranno straordinari. Potranno osservare fusioni di buchi neri a redshift molto elevati, ossia molto lontane nello spazio e nel tempo, aiutandoci a capire la storia della formazione dei buchi neri e delle galassie. Sono davvero entusiasta di vedere quali risultati riusciranno a produrre, e spero che almeno uno dei nuovi interferometri laser di Einstein Telescope sarà costruito in Sardegna, un luogo molto adatto per ospitare questo tipo di infrastruttura.
Professor McDonald, anche lei sostiene la candidatura italiana a ospitare l’Einstein Telescope. Può dirci perché?
[AM] Ho un’ottima esperienza di collaborazione con l’Italia, e la Sardegna in particolare. Abbiamo una struttura nella miniera di Monte Sinni gestita da Carbosulcis, nella Sardegna sud-occidentale, per la purificazione finale dell’argon per l’esperimento DarkSide-20K ai Laboratori del Gran Sasso, e abbiamo ricevuto un solido sostegno dalla Regione Sardegna e dall’ente promotore dell’esperimento, l’INFN. A ciò si aggiunga che il sito proposto per l’Einstein Telescope, al centro dell’isola, è davvero un sito ideale, molto silenzioso dal punto di vista sismico e del rumore antropico. Quindi penso proprio che l’Italia sia la scelta giusta per questo progetto; ha un curriculum eccellente per progetti su larga scala di questo tipo.
BIO
Takaaki Kajita è professore all’Istituto per la Ricerca sui Raggi Cosmici (ICRR) dell’Università di Tokyo e ha diretto l’analisi dati dell’esperimento Super-Kamiokande, mostrando che i neutrini atmosferici cambiano sapore, prova della loro massa. Per questa scoperta ha ricevuto il Nobel per la Fisica nel 2015. Oggi è tra i protagonisti dell’esperimento KAGRA, per la rivelazione delle onde gravitazionali, e contribuisce allo sviluppo dell’astronomia multimessaggera.
Arthur McDonald è professore emerito alla Queen’s University a Kingston, Canada. Ha guidato il Sudbury Neutrino Observatory (SNO), dimostrando che i neutrini solari cambiano sapore e possiedono massa. Per questa scoperta ha ricevuto il Nobel per la Fisica nel 2015. Oggi è attivo nello sviluppo di grandi esperimenti sotterranei per la ricerca della materia oscura, in particolare nella collaborazione DarkSide ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN.
